The Enigma of Orbital Angular Momentum of Spatiotemporal Vortex Pulses
The Enigma of Orbital Angular Momentum of Spatiotemporal Vortex Pulses
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时空涡旋脉冲轨道角动量之谜
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发表时间：
2022
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通讯作者：
K. Bliokh
中科院分区：
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作者：
K. Bliokh
受光学时空涡旋脉冲（STVP）产生进展的启发，对此类脉冲所携带的横向轨道角动量（OAM）的值进行了理论讨论。两个最近的作品[K。Y. Bliokh，Phys. Rev. Lett. 126，243601（2021）]和[S. W.汉考克等人，物理评论快报。127，193901（2021）]要求保护OAM值，其对于圆形STVP相差2倍。在这里，我们解决了这个争议，表明由汉考克等人的结果是正确的总OAM，而由Bliokh的结果描述了适当定义的内在部分的OAM。OAM的另一个非本征部分源于这样一个事实，即在脉冲谱中具有相同幅度但不同频率的平面波包含不同密度的光子，即使在具有对称强度（能量密度）分布的STVP中，这也会引起光子质心的横向涡旋相关移位。我们描述了类似的特性的OAM的声学和相对论量子力学（克莱因-戈登和任意自旋）STVP。在所有情况下，只有内在的OAM保持一个普遍的清晰的形式独立于问题的细节和类似的单色涡旋光束的OAM。
Motivated by the progress in generation of optical spatiotemporal vortex pulses (STVPs), there is a theoretical discussion about the value of the transverse orbital angular momentum (OAM) carried by such pulses. Two recent works [K. Y. Bliokh, Phys. Rev. Lett. 126, 243601 (2021)] and [S. W. Hancock et al. , Phys. Rev. Lett. 127, 193901 (2021)] claimed the OAM values which differ by a factor of 2 for circular STVPs. Here we resolve this controversy by showing that the result by Hancock et al. is correct for the total OAM, while the result by Bliokh describes the suitably defined intrinsic part of the OAM. The other, extrinsic part of the OAM originates from the fact that plane waves of the same amplitude but different frequencies in the pulse spectrum contain different densities of photons, which induces a transverse vortex-dependent shift of the photon centroid even in a STVP with symmetric intensity (energy-density) distribution. We describe similar peculiarities of the OAM of acoustic and relativistic quantum-mechanical (Klein-Gordon and arbitrary-spin) STVPs. In all cases, only the intrinsic OAM keeps a universal lucid form independent of the details of the problem and similar to the OAM of monochromatic vortex beams.
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